CMOS圖像傳感器堆棧式與單芯片的區(qū)別

日常生活中的很多產(chǎn)品，比如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、車(chē)載攝像頭等都有CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）的身影，在它的幫助下，人們可以獲得更清晰，更高質(zhì)量的圖片和視頻。這主要是得益于CMOS圖像傳感器是一種將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，且隨著CMOS工藝技術(shù)的進(jìn)步，作為攝像頭“眼睛”的CMOS圖像傳感器具有了高分辨率、低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍、智能化等特點(diǎn)。

那么，你知道CMOS圖像傳感器是如何變成現(xiàn)在這般的嗎？它有哪些分類(lèi)？本文就帶你一起了解一下CMOS圖像傳感器的進(jìn)化歷程，以及堆棧式與單芯片技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)與適用場(chǎng)景。

CMOS圖像傳感器的發(fā)展歷史

自從1969年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明電荷耦合器件（CCD），并提出固態(tài)成像器件概念后，固體圖像傳感器便得到了迅速發(fā)展，成為傳感技術(shù)中的一個(gè)重要分支。其實(shí)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器與CCD圖像傳感器的研究幾乎是同時(shí)起步的，只是由于當(dāng)時(shí)工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲高，以及光照靈敏度不夠等原因，從而沒(méi)有得到重視和發(fā)展。

后來(lái)，隨著集成電路（IC）設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平的提升，CMOS圖像傳感器過(guò)去的缺點(diǎn)，都被克服掉了，CMOS圖像傳感器逐漸成為研究的熱點(diǎn)，并成為了市場(chǎng)的主流。

圖：CMOS圖像傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（來(lái)源：格科微招股書(shū)）

CMOS圖像傳感器最大的優(yōu)勢(shì)是可以集成在單片芯片上，它能將圖像傳感與采集、模擬信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字邏輯電路、時(shí)鐘控制電路，以及外圍輸入/輸出電路等都集成在單顆芯片上。其工作原理是，首先通過(guò)感光單元陣列將所獲取對(duì)象景物的亮度和色彩等信息由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；再將電信號(hào)讀出，并通過(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；最后將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并通過(guò)傳輸接口將圖像信息傳送給平臺(tái)接收。

CMOS圖像傳感器的誕生，一直以來(lái)有兩種版本。一是在1993年4月，NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的Dr. Eric R. Fossum團(tuán)隊(duì)研制出了CMOS有源像素傳感器，不過(guò)在NASA的反響并不樂(lè)觀，因此在1995年，F(xiàn)ossum與他當(dāng)時(shí)的妻子，及他在JPL的同事Sabrina Kemeny共同創(chuàng)辦了Photobit公司進(jìn)行CMOS傳感器的商業(yè)化。并于1998年推出了第一個(gè)產(chǎn)品PB-159，次年推出了PB-100，該芯片被用在了英特爾的一款網(wǎng)絡(luò)相機(jī)Easy PC相機(jī)中，將視頻會(huì)議帶入了工作場(chǎng)景。

另一個(gè)版本是在1989年，英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的Peter Denyer教授、David Renshaw博士，及當(dāng)時(shí)在愛(ài)丁堡大學(xué)做科研的王國(guó)裕和陸明瑩聯(lián)袂發(fā)表了一篇論文，介紹了他們?cè)贑MOS 圖像傳感器方面的研究工作，并于1990年底芯片流片成功。

不管是哪一個(gè)版本，在市場(chǎng)的洪流中，他們都淹沒(méi)在了眾多玩家當(dāng)中，如今的CMOS圖像傳感器頭部玩家主要是索尼、三星電子和格科微等廠商。

CMOS圖像傳感器的分類(lèi)

CMOS圖像傳感器按照感光元件安裝的位置，主要可分為前照式結(jié)構(gòu)（FSI）、背照式結(jié)構(gòu)（BSI）、以及在背照式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改良的堆棧式結(jié)構(gòu)（Stacked）。

前期的CMOS圖像傳感器主要是FSI結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單；其缺點(diǎn)是，因?yàn)樗母泄庠诘讓?，進(jìn)入的光線比較少，因此成像效果一般。該結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器的像素范圍一般在200萬(wàn)像素以下。

為了加強(qiáng)整體成像效果，BSI結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)改變了光線的入射方位，將電氣組件與光線分離，有效減少了光子的損耗，大幅提升了CMOS圖像傳感器的量子效率，提升了暗光和室外場(chǎng)景下的拍照品質(zhì)。也就是說(shuō)它相比FSI結(jié)構(gòu)具有感光度和量子效率更高、感光角度更廣、像素串?dāng)_更低、成像品質(zhì)更高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，成本高。此類(lèi)結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在500萬(wàn)以上像素的CMOS圖像傳感器產(chǎn)品中。

其實(shí)，2003年成立的格科微很早就開(kāi)始了CMOS圖像傳感器的研發(fā)，并于2005年成功研發(fā)出了國(guó)內(nèi)首顆FSI結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器；2012年實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，推出了國(guó)內(nèi)首顆BSI圖像傳感器。

隨著市場(chǎng)對(duì)CMOS圖像傳感器像素、幀率、成像效果（比如高信噪比、低照度及動(dòng)態(tài)環(huán)境感知等）的要求越來(lái)越高，CMOS傳感器企業(yè)索尼在BSI結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了堆棧式結(jié)構(gòu)，在上層僅保留感光元件而將所有線路層移至感光元件的下層，再將兩層芯片疊在一起，芯片的整體面積被極大地縮減，還可有效抑制電路噪聲從而獲取更優(yōu)質(zhì)的感光效果。采用堆棧式結(jié)構(gòu)的 CMOS 圖像傳感器可在同尺寸規(guī)格下將像素層在感知單元中的面積占比從傳統(tǒng)方案中的近 60%提升到近 90%，圖像質(zhì)量大大優(yōu)化。同理，為達(dá)到同樣圖像質(zhì)量，堆棧式 CMOS 圖像傳感器相較于其他類(lèi)別 CMOS 圖像傳感器所需要的芯片物理尺寸則可大幅下降。這使得CMOS圖像傳感器的成本得到了改善，逐漸成為高像素CMOS市場(chǎng)主流。

但近年來(lái)，行業(yè)里出現(xiàn)了另一種與堆棧式截然不同的高像素CIS技術(shù)路線——單芯片高像素集成。

格科微的單芯片高像素技術(shù)

同樣是為了滿足市場(chǎng)對(duì)CMOS圖像傳感器高像素、高幀率及高成像效果的需求，格科微另辟蹊徑，憑借他們?cè)趩螌泳ACMOS領(lǐng)域近20年的積累，自主研發(fā)了單層晶圓高像素工藝及電路技術(shù)，攻破了像素特色工藝和邏輯常規(guī)工藝的相容性鴻溝，無(wú)需堆疊，即可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)成像。

比如說(shuō)，格科微通過(guò)其自有專(zhuān)利技術(shù)------FPPI（Floating Ploy Pixel Isolation）隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高像素的同時(shí)，還降低了白點(diǎn)及暗電流來(lái)源，保障成像品質(zhì)。從采用了該專(zhuān)利技術(shù)0.7μm像素的圖像傳感器GC32E1的表現(xiàn)就可見(jiàn)一斑。該高像素單芯片CMOS圖像傳感器，在各個(gè)成像指標(biāo)上與同規(guī)格堆棧產(chǎn)品持平。

據(jù)公開(kāi)信息顯示，GC32E1支持3200萬(wàn)全像素輸出，搭配手機(jī)平臺(tái)Remosaic解碼功能，能夠得到細(xì)節(jié)豐富、色彩鮮艷的照片。就算在夜間、暗態(tài)等環(huán)境下，也可拍出明亮清晰的照片。而且，在視頻應(yīng)用方面，它可支持交錯(cuò)式HDR技術(shù)，能在明暗差異大的環(huán)境中提升動(dòng)態(tài)范圍，避免暗處死黑，或者亮處過(guò)曝。

值得一提的是，格科微還在片內(nèi)ADC電路、數(shù)字電路，以及接口電路等方面也做創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使得其單芯片高像素CMOS圖像傳感器能與市場(chǎng)上同規(guī)格的雙片堆棧產(chǎn)品的模組尺寸兼容，面積僅增加約 10%，總硅片用量減少40%，顯著提高了晶圓面積利用率，大大改善成本結(jié)構(gòu)。

格科微目前采用了FPPI專(zhuān)利技術(shù)的CMOS傳感器產(chǎn)品有GC50B2、GC50E0、GC32E1、GC08A3、GC13A0、GC13A2、GC16B3等，其中，單芯片3200萬(wàn)像素CIS已導(dǎo)入品牌并成功量產(chǎn)，單芯片技術(shù)路線可行性、量產(chǎn)能力通過(guò)驗(yàn)證。據(jù)了解，格科微未來(lái)還會(huì)持續(xù)推出基于單芯片高像素平臺(tái)的5,000萬(wàn)及以上高像素規(guī)格產(chǎn)品。

結(jié)論

單芯片CMOS圖像傳感器和堆棧式CMOS圖像傳感器是目前圖像傳感技術(shù)中應(yīng)用廣泛的兩種技術(shù)，兩者都有其適用的場(chǎng)景和局限性。高像素領(lǐng)域，得益于工藝與技術(shù)進(jìn)步，單芯片CIS優(yōu)勢(shì)漸顯，可能會(huì)成為與堆棧同樣重要的技術(shù)路線。未來(lái)，隨著手機(jī)成像等終端市場(chǎng)趨于成熟，人工智能、云計(jì)算等技術(shù)的不斷發(fā)展，CMOS圖像傳感器將不斷升級(jí)，更多的創(chuàng)新和應(yīng)用將不斷涌現(xiàn)。

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審核編輯：黃飛

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